#27 Nadciekła Czarna Dziura, czyli Zabawy z Zimnym Bardzo Helem

0. Wstępniak, który niewiele wniesie, ale musi być ;)

A, witam.

To znowu Wy. Tłuczyska i Laiczyska, które trzeba oświecić, bo są tak żądne wiedzy, że dostaję już listy z prośbami o następne tematy. Naprawdę! Codziennie rano po moim parapecie chodzi parę gołębi pocztowych z liścikami. 'Chcemy coś o Szarych Dziurach', albo 'Gdzie się podziały skwarki i bizony', czy też 'Czy Ziemia jest płaska i dlaczego tak' ;)

Jesteście już tak zaawansowanymi fizykami, a korzystacie nadal z pocztowych gołębi? Znam osoby, które ich strasznie nie lubią, i gdyby Ta Osoba pisała zamiast mnie, z wszystkich tych gołębi zostałyby tylko pióra. Pozdrawiam Królową Gołębi, już ona będzie wiedzieć, o kogo chodzi ;)

Wydaje się Wam, że bredzę, i tak jest w istocie. Trzeba czymś zapełnić Wstępniak. Szanuję zieleń i gołębie, dlatego możecie nadal śmiało je wysyłać.

Dobra, dość tego kłapania dziobem bez sensu.

Dziś dowiecie się, jak w ultra-ekstremalnych warunkach nadciekły hel zachowuje się jak prawdziwa, choć mała, czarna dziura. To nie żart. Słyszałem o dźwiękowych czarnych dziurach, świetlnych też (< klik >), ale ta jest wyjątkowa, bo jest trwała.

Zaczynajmy.

1. Po kolei, czyli nawet trochę o entropii będzie.

Dokonano ostatnio bardzo dziwnego odkrycia. Przy badaniu nadciekłości (później wyjaśnię) wyszło na jaw, że te same prawa, które rządzą zachowaniem horyzontu zdarzeń czarnej dziury (czyli miejsca, poza którym nic już nie wróci, jeśli do niej wleci ;)), stosują się także do nadciekłego helu, w stanie płynnym, oczywiście. Hel to w warunkach temperatury pokojowej gaz, ale przy około 0 bezwzględnego (-273.15 st. Celsjusza) jest płynny. I porusza się bez tarcia! To znaczy, że gdybyście do zamiast porannej kawy pili ciekły hel (nie polecam, mogłaby to być ostatnia Wasza filiżanka w życiu), raz zamieszawszy, płyn obracałby się w nieskończoność. Zerowa lepkość.

Mówi się nawet, że owo zjawisko może być kluczem do zrozumienia Kwantowej Teorii Grawitacji (< klik >) - rozwiązanie jednego z najtrudniejszych problemów dzisiejszej fizyki teoretycznej.

Czarne dziury są dziwne. Oczywiście, mamy jeszcze Gwiazdy Dziwne, ale to nie to samo. I mamy  z nimi pewien problem. Ba, nawet Stephen Hawking siedzi w tym problemie, jego niepokoi on szczególnie. Kłopot polega na związek czarnych dziur z entropią.

Entropia to wielkość, która charakterzyuje cały Wszechświat, jak i pojedyncze, izolowane układy. Nie jest to proste pojęcie, bo zachacza i wbija się głęboko w termodynamikę, jednak nam wystarczy bardzo pobieżna informacja, w dużym uproszczeniu - entropia to miara nieuporządkowania ukladu. A właściwie, progres systemu z uporządkowanego do nieuporządkowanego. Jajko ma stosunkowo małą entropię w porównaniu do jajka rozbitego - które charakteryzuje się entropią większą - większy chaos. I podobnie, jak nie można poskładać jajka do kupy, tak entropia Wszechświata nie może samoistnie się zmniejszyć. Oczywiście, można włożyć pewną pracę w układ i przywrócić stan niższej entropii, ale naturalną (bez ingerencji z zewnątrz) koleją rzeczy jest entropia zwiększająca się. Temat rzeka, mówię Wam, ale nie wchodzimy w to. Na razie nie ma takiej potrzeby, ale jeśli zobaczę któregoś ranka gołębia z karteczką 'Entropia plizzzzzz', to się zastanowię ;)

I teraz ciekawsze, bo samo pojęcie entropii pewnie niewiele Wam mówi. Strzałka czasu.

To ona wskazuje kierunek od przeszłości do przyszłości, naturalny dla naszego Wszechświata. Jest ona zgodna z entropią, a właściwie pokazuje kierunek od mniejszej do większej entropii, od mniejszego do większego chaosu. Tak jest. Według fizyki podążamy naturalnym torem ku chaosowi...

2. Entropia, czarne dziury i Stefan Hawking (Jastrzębski? ;))

W latach .70 ubiegłego wieku Hawking i inny fizyk, Jacob Bekenstein, odkryli, że kiedy materia dostanie się poza horyzont zdarzeń czarnej dziury, dodawana jest pewna informacja 'do czarnej dziury'. Jest to pewna forma entropii. I ta entropia rośnie, wraz z powierzchnią horyzontu zdarzeń.

To dziwne.

Entropia nie zwiększa się wraz z objętością, tylko z polem powierzchni. 

Kiedy powięszysz rozmiar pudełka dwa razy, oczekujesz przecież, że dwukrotnie wzrośnie ilość informacji w tym pudle. Nie wystarczą przecież pomiary powierzchni, aby stwierdzić, ile jest informacji w środku.

Jednak czarne dziury właśnie tak ukazują swoją zawartość - ilość informacji w środku równa się nie jej objętości, a polu powierzchni. To bardzo sprzeczna, nieintuicyjna właściwość czarnych dziur, a, od niedawna także wiadomo - nadciekłego helu.

Taka sama zależność stosuje się do informacji kwantowej w nadciekłym... helu, oczywiście ;)

Hel ochłodzono do 2 stopni powyżej zera bezwzględnego, najniższej możliwej temperatury w naszym Wszechświecie. Przy takim wyziębieniu nawet najtwardsi Eskimosi wyliby z zimna, a pingwiny... Zostawmy to lepiej. Po prostu - zima stulecia.

Przy takich temperaturach zanika całkowicie lepkość płynu. Porusza się bez tarcia, może wirować w nieskończonośc po jednym zamieszaniu. Bez straty energii kinetycznej. Taki hel może także poruszać się wbrew grawitacji, w górę, po ściankach naczynia. W tych warunkach pojedyncze atomy przestają być odrębnymi cząsteczkami - stają się kwantowo splątane i są jakby jedną cząstką.

3. Superkomputery w służbie nauki, jeszcze nie kwantowe, ale bardzo szybkie.

W symulacji komputerowej uzyskano przejście helu w stan nadciekły. Otrzymano dwie powierzchnie - nadciekłą kulę, oraz otaczającą ją warstwę także nadciekłego helu. Nadciekły hel to, nadciekły hel tamto... Czy da się użyć jakiegoś zamiennika? 'Nadpłynny pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej dwa'. Czy Wy też wolicie krótszą, acz powtarzającą się formę? To dobrze, że też tak. Jesteśmy Tłukami i Laikami, ale, na miłość Boską, nie masochistami ;)

Objętość kuli wewnętrznej zwiększała się, a badano ilość splątanej kwantowo informacji dzielonej przez dwa obszary.

W czarnych dziurach wygląda to tak: Obiekt wpada poza horyzont zdarzeń, zostaje tam, leci w dół, do osobliwości, jednak na powierzchni, na samym horyzoncie, pozostaje po nim informacja, kwantowo splątana. Entropia wewnątrz zwiększa się. 

W naszym nadciekłym helu powstał efekt taki sam, jak w przypadku czarnych dziur i horyzontu zdarzeń: ilość informacji splatanej kwantowo, dzielona przez obydwa obszary, była proporcjonalna do powierzchni nadciekłego obszaru, a nie jego objętości.

I teraz najlepsze: to zupełnie jak w hologramie. Trójwymiarowa objętość przestrzeni (wewnątrz czarnej dziury, oraz wewnątrz kuli nadciekłego helu) jest całkowiecie zakodowana na jej powierzcni, dwuwymiarowej...

To tak jakby... trójwymiarowy obiekt wpada poza horyzont zdarzeń i jest utracony na zawsze... Jednak został tak rozszczepiony, przesłany na dwuwymiarową informację, że z wiadomości o nim na powierzchni horyzontu zdarzeń można by go całkowicie odtworzyć... Czad! :)

Efekt ten przewidziano w teorii nadciekłości, jednak tym razem był to pierwszy, wprawdzie symulowany komputerowo, ale już zaobserwowany, naturalnie występujący stan materii.

4. I znowu kończymy poplątani... kwantowo :)

Splątanie kwantowe nie idzie w parzez ze standardowym modelem fizyki. Einstein bardzo mocno się mu sprzeciwiał, jednak dowiedziono, że faktycznie występuje w naturze. Splątanie, nie Einstein ;) Chociaż, w zasadzie, Einstein też... wystąpił ;)

Splątanie kwantowe to informacja spoza mechaniki klasycznej, dzielona przez cząstki o stanie kwantowym. Jest cechą charakterystyczną mechaniki kwantowej, która jest obca naszemu codziennemu doświadczeniu, w którym karty rozdaje fizyka klasyczna, newtonowska.

Im dalej w las, tym ciekawiej, jak mawiał klasyk. Nasza klasyczna teoria grawitacji opiera się dokładnie na kształcie, geometrii czasoprzestrzeni. Czyli, dobrze znamy tę pieśń: zagięta przez masę czasoprzestrzeń, niczym trampolina ogrodowa z kulą do kręgli w środku, wyznacza kształt, orbitę każdego ciała, które krąży w jej pobliżu. Nie siła, jaką przyciąga, na przykład Słońce - naszą Matkę Ziemię - Słońce zakrzywia czasoprzestrzeń, a Ziemia nie ma innego wyjścia, jak poruszać się po owej geometrii trampolinowej. Wpadnijcie kiedyś do mojego ogrodu, pokażę Wam trampolinę, kule do kręgli i inne dzikie historie ;) Oczywiście, jak tylko sprawię sobie ogród.

Jak doskonale wiedzą najwytrwalsi Czytelnicy (a jak nie wiedzą, dowiedzą się tutaj: <- klik -> ( nie wiem, czy to dostrzegacie, ale staram się Was zaskoczyć coraz to nowymi strzałkami 'klika'. Cóż za kreatywność, od samych podstaw ;)), zachowanie cząstek makro (gwiazdy, planety i inne kosmiczne wydarzenia) oraz mikro (bingo: oczywiście skwarki i bizony, a także cała gama wesołego ZOO cząstek elementarnych) jest skrajnie różne, toteż fizyka opisująca każdą z nich jest inna. Makro to teoria względności Einsteina, maluchy to oczywiście mechanika kwantowa. Trudno im się pogodzić, tym teoriom, dlatego nikomu jeszcze nie udało się ich scalić, ujednolicić, a w skrócie - stworzyć kompletnej Teorii Grawitacji Kwantowej.

Ale jak już się napatrzymy, a szczególnie mądrzy naukowcy, na hel nadciekły, zachowujący się jak czarna dziura, jest szansa, że ktoś w końcu wyciągnie oczywiste wnioski (dla kogo jak dla kogo, ale na pewno dla Tłuków i Laików ;)) i stworzy brakującą teorię - Teorię Wszystkiego.

To śmieszne, taka nazwa, Teoria Wszystkiego. Czyli co, opisuje jajko, którym rzucam z okna w przechodzącego człowieka, oraz tor lotu nietoperza w jakiejś zapyziałej jaskini? Proces myślowy Laika i drapanie się po głowie Tłuka, który doczytał aż do tego miejsca i nadal nic nie rozumie?

Tak, Moi Drodzy, Teoria Wszystkiego powinna być od Wszystkiego.

Żarty na bok. Teoria Wszystkiego to w założeniu kilka równań, które w sposób kompletny opiszą wszystkie cztery fundamentalne siły w przyrodzie. Tak zgrabne, eleganckie i proste, że mogłyby się zmieścić na podkoszulku. Tak powiedział kiedyś jeden fizyk, nie pamiętam który, ale nazwisko miał prominentne. Poważnie, fizycy tak to widzą. Jeśli coś nie jest eleganckie, jest dla nich do...

...zobaczenia w następnym odcinku 'Fizyki dla Laika czyli Nauki dla Tłuka'; :)

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys